Устройство для измерения механической скорости бурения Советский патент 1981 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к контролю и измерению параметров процесса бурения на буровых установках разведочного и эксплуатационного бурения. Известно устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик подачи, два регистра подачи, регистр выходного блока, блок управления, логические вентили, вход первого регистра подачи через логичес кий вентиль, коммутируемый блоком управления, подключен к датчику подачи, а выход соединен со входом регистра выходного блока Г1 и 2. Недостатком этого устройства является Независимость величины интервала усреднения от значения текущей механи ческой скорости. В связи с этим для получения заданной минимальной статической ошибки во всем диапазоне измерения необходимо интервал измерения выбирать для наименьшей скорости. Если измерять механическ5по скорость бурения порядка 0,5м/ч, то интервал измерения должен быть 40 мин. Динамическая опибка, вызванная таким большим интервалом измерения /усреднения, может намного превзойти статическую, так как механическая скорость бурения является быстроизменяющейся функцией времени, а динамическая ошибка пропорциональна скорости изменения измеряемого параметра. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик проходки, счетчик импульсов подачи, счетчик времени усреднения, задатчик времени, триггер окончания измерения, логические вентили, блок деления, регистр результата, индикатор, схему совпадения, к одному входу которой подключен счетчик времени усреднения, а к другому через .дешифратор и блок управления дешифратором - регистр результата, причем выход схемы совпадения кодов включен на вход триггера L 3 J. 3 Недостатком данного устройства является то, что интервал измерения механической скорости бурения определяется по предшествующему значению механической скорости бурения. В результате могут возникать ситуации, при которых будет или переполнение счетчика проходки, или заниженный интервал времени. Все это приведет к значительной погрешности измерения Учитывая, что механическая скорость бурения является быстроизменяющейся функцией времени, такие ситуации могут возникать довольно часто. Другим недостатком известного устройства , |является сложность реализации из-за наличия блока управления дешифратором дешифратора, блока деления. Следующим недостатком известного устройства является малая частота отсчетов результатов измерения. Хотя она изменяется в зависимости от скорости, однако каж дый интервал времени должен обеспечит минимальную погрешность измерения, т.е. должно быть достигнуто соответс вующее соотношение между динамической и статической ошибками. В известном устройстве необходимая статическая ошибка Достигается установлением допустимого минимального интервала измерения для максимальной механическо скорости. Таким образом, статистичес кая обработка результата измерения производится методом усреднения, т.е за счет увеличения интервала измерения. Целью изобретения является увеличение частоты отсчетов и уменьшение погрешности измерения. Поставленная цель достигается тем что устройство, содержащее датчик проходки, .соединенный через первую схему И со счетиым входом счетчика импульсов проходки, второй вход первой схемы И подключен к выходу триггера окончания измерения и первому входу второй схемы И, регистр резуль тата, задатчик времени, схему совпаде ния, четыре схемы И, генератор, допо нительно содержит блок масштабирования, три схемы ИЛИ, триггер переполнения, формирователь импульсов, триг гер запуска, триггер управления, регистр коэффициента сглаживания, буферный регистр peзyльтata, коммутатор, счетчик коэффициента сглаживания, элемент задержки, триггер знака логарифмический счетчик времени, сум матор, компаратор, сумматор коэффи3циента сглаживания, буферный регистр коэффициента сглаживания, вторую схему совпадения, вспомогательньй регистр, причем все выходы счетчика импульсов проходки подключены к информационным входам блока масштабирования, два старших разряда счетчика импульсов проходки подключены к первой схеме ИЛИ, а старший разряд счетчика импульсов проходки подключен к счетному входу триггера переполнения, выход которого соединен с третьим входом первой схемы ИЛИ, причем выход первой схемы ИЛИ соединен с первым входом третьей схемы И, а выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля триггера окончак ш измерения, выход которого соединен через формирователь импульсов с входами установки единицы триггеров запуска и управления, с входами записи регистра коэффициента сглаживания и буферным регистром результата, с управляющим входом коммутатора, с входом установки нуля счетчика коэффициента сглаживания, с входом элемента задержки, выход которого соединен с входом установки единицы триггера окончания измерения, с входом записи информации триггера знака, с входами установки нуля триггера переполнения, счетчика импульсов проходки, логарифмического счетчика времени, выход старшего разряда которого соединен со вторым входом второй схемы ИЛИ, а оставшиеся выходы соединены через третью схему ИЛИ со вторым входом третьей схемы И, выходы логарифмического счетчика времени соединены с управляющим входом блока масштабирования, выход которого соединен с первым входом коммутатора и первым входом компаратора, выход которого соединен с информационным входом триггера знака, информационный вход и выход которого соединены с входами первой схемы совпадения, выход которой соединен с входами первого слагаемого сумматора коэффициента сглаживания за исключением младшего разряда, который соединен с источником логической единицы, а вход второго слагаемого соединен с выходом буферного регистра коэффициента сглаживания, информационный вход которого соединен с выходом регистра коэффициента сглаживания, п-вход которого соединен с (п +1)-выходом сумматора коэффициента сглаживания, а выход регистра коэффициента сглажива ния соединен с первым входом второй схемы совпадения, выход которой соеди .нен с входом записи буферного регистр коэффициента сглаживания и с входом установки нуля триггера запуска, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы И, выход которой соединен с счетным входом триггера управления, импульсный прямой выход которого соединен с входом записи вспомогательного регистра выход которого соединен с входом первого слагаемого сумматора, (п + l) - выходы которого соединены с п-входами регистра резуль тата, выход которого соединен со вторым входом коммутатора, со вторым вхо дом компаратора и с информационным входом буферного регистра результата выход которого соединен с входом второго слагаемого сумматора, выход коммутатора соединен с информационным входом вспомогательного регистра, вход записи регистра результата соединен с импульсным инверсным выходом триггера управления и с счетным входом счетчика коэффициента сглаживания выход которого соединен со вторым вхо дом второй схемы совпадения, генератор опорной частоты соединен со вторым входом чeтвeptoй схемы И и через задатчик времени соединен со вторым входом второй схемы И, выход которой соединен со счетным входом логарифмического счетчика времени. На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения механической скорости бурения содержит датчик 1 проходки, схемы И 2-5, счетчик 6 импульсов проходки, триггер 7 окончания измерения, регистр 8 резуль тата, задатчик 9 времени, схемы 10, 11 совпадения, генератор 12, блок 13 масштабирования схемь ИЛИ 14-16, триг гер 17 переполнения, формирователь 18 импульсов, триггер 19 запуска, триггер 20 управления с импульсными прямым и инверсным выходами, регистр 21 коэффициента сглаживания, буферный регистр 22 результата, коммутатор 23, счетчик 24 коэффициента сглаживания, элемент. 25 задержки, триггер 26 знака, логарифмический счетчик 27 времени, сумматор 28, компаратор 29, сумматор 30 коэффициента сглаживания, буферный регистр 31 коэффициента сглаживания, вспомогательный per гистр 32. Генератор 12 является источником тактового питания для устройства и одновременно опорным генератором для формирования интервала измерения. Величина минимального интервала измерения задается с помощью задатчика 9 времени, в качестве которого возможно использовать управляемый делитель частоты. Логарифмический счетчик 27 времени производит подсчет импульсов, поступающих через элемент И 3 с задатчика времени и на выходе его формируется цифровой код, численно равный логарифму числа импульсов поступив- , ших на его вход. Наиболее просто реализовать такой счетчик с логарифмированием по основанию. При этом значительно упрощается реализация блока 13 масштабирования, который представляет собой регистр сдвига в сторону младших разрядов. Число сдвигов зависит от характеристики двоичного логарифма чгсла импульсов, поступивших на счетчик 27. Схема ИЛИ 16 имеет импульсные входы, т.е. реагирует на изменение выходного кода счетчика 27. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы счетчик 6 импульсов проходки, логарифмический . счетчик 27 времени, триггер 17 переполнения, триггер 19 запуска, счетчик 24 коэффициента сглаживания,устанавливаются в нулевое состояние. Задатчик 9 времени устанавливается в такое состояние, при котором с его входа поступает частота, равиая f , 14 &t - минимальный интервал измерения . Триггер 7 окончания измерения наодится в единичном состоянии. При этом на вход счетчика 6 имульсов проходки поступают импульсы ерез схему И 2 с датчика 1 проходки. дновременно с задатчика 9 времени оступают импульсы с частотой fj чеез схему И 3 на вход логарифмическот о счетчика 27 времени. Когда счетчик мпульсов заполняется более чем на дну четвертую своего объема, т.«. а одном из двух или одновременно тарших разрядах появляются сигналы 786 логической единицы, триггер 7 окончания измерения переключается в нулевое положение, если на одном из выходов логарифмического счетчика 27 происходит переход из состояния логического нуля в единичное, т.е. в момент изменения выходного сигнала логарифмического счетчика 27 времени. Это происходит потому, что выход ло арифмического счетчика 27 соединен с импульс ным входом схемы ИЛИ 16, которая, в свою очередь, через схему И 4, схему ИЛИ 35 - с входом установки нуля триггера 7 окончания измерения. Б зависимости от числа импульсов, поступивпшх на логарифмический, счетчик 27 времени, на его выходе образуется двоичный код, численно равный характеристике двоичного логарифма г , где N - число импульсов, поступивших на вход логарифмического счетчика 27. Информация, поступившая с счетчика 6 импульсов проходки на блок 13 масштабирования преобразовывается им. Преобразование заключается в сдвиге содержимого счетчика 6 импульсов проходки на г разрядов вправо, что равно сильно делению числа импульсов проход ки N,L на 2 . Таким образом, на выходе блока масштабирования получим значение мгновенной скорости Nj, m VJJ 1 гч При установке триггера, 7 окончания измерения в нулевое состояние происхо |дит блокировка поступления импульсов с датчика 1 проходки и задатчика времени за счет подачи логических нулей на входы схемы И 2, 3. С выхода компаратора 29 поступает сигнал, значение которого зависит от знака разницы между значением, поступивпптм с блока 13 масштабирования т;, и предшествующим значением механической скорости V( регистра 8 результата. Допустим, что на выходе компаратора формируется сигнал который равен P.J 0, если V i Pi 1 , если fn УЙСхемой 10 совпадения сравнивается знак текущей разницы с предшествующей f , которая хранится триггером 2 знака. При разных знаках схемой 10 совпадений устанавливаются на всех разрядах первого входа сумматора 30 коэффициента сглаживания логические единицы. При одинаковых знаках логическая единица присутствует только на входе первого разряда первого входа сумматора. На выходе сумматора коэффициента сглаживания 30 имеет значение, которое со сдвигом на один разряд вправо заносится в регистр 21 коэффициента сглаживания. Таким образом, в регистре 21 имеет значение текущего коэффициента сглаживания, значение которого равно К,--1+1 , если(Р,- 1Рт- Р1-чР1)-0; .еслиСР,-.,Р,,-), где К-, К. - текущее и предшествующее значение коэффициента сглаживания; К - максимальное значение коэффициента сглаживания, которое в общем случае может быть любым более единицы. Практически, в целях упрощения реализации значение коэффициента рав««где п - число разрядов первого слагаемого сумматора 30 коэффициента сглаживания. Занесение результата в регистр 21 коэффициента сглаживания происходит сигналом, поступающим с формирователя 18 импульсов, запуск которого осуществляется переключением триггера 7 окончания измерения в нулевое состояние. Штульсом с формирователя импульсов устанавливаются триггер 19 запуска и триггер управления в единичное состояние, в буферный регистр 22 результата заносится предшествутащее значение механической скорости М с регистра 8 результата. При наличии импульсного сигнала на управляющем входе коммутатора 23 на его выход проходит информация с блока 13 масштабирования и записывается в вспомогательный регистр 32 сигналом, поступающим с импульсного выхода триггера 20 управления. С задержкой времени, определяемой элементдм 25 задержки, импульсный сигнал с формирователя 18 импульсов производит занесение текущей разницыР « - Yf ;В триггер 26 знака, сбрасывает в нуль счетчик 6 импульсов проходки и логарифмический счетчик 27 и возвращает триггер 7 окончания изм рения в единичное состояние, тем са мым открываются логические элементы и 3. Одновременно сигналом с триггера J 9 запуска, открывается схема И и через нее на счетный вход триггера 19 запуска поступают импульсы с генератора 12. Первым импульсом триг гер 20 управления переходит в нулево состояния и импульсным сигналом с ег инверсного выхода в счетчик коэффициента сглаживания записывается первый импульс, а в регистр 8 результата значение, численно равное полусумме значений мгновенной скорости m и предшествующей механической ско рости V-, т.е. v mV Ч - 2 При отсутствии сигнала с формирователя 18 импульсов через коммутатор 23 на вход вспомогательного регистра 32 поступает информация с выхода регистра 8 результата, который записывается во вспомогательный регистр 32, когда триггер 20 управле,ния устанавливается в единичное состояние. Переключение триггера .20 управления в единичное состояние осу ществляется каждым четвертым импуль,сом, поступающим через схему И 5с генератора 12. При следующем импульсе, поступившем на вход триггера 20 зшравления, происходит запись второго импульса в счетчик 24 коэффициента сглаживания, а в регистр 8 ре, зультата записывается число - VJ + УМ ИЛИ С учетом пеового цикла t/ , а .4 л-мЧ).ЧЧ1Г.-.. аналогично можно показать, что на третьем цикле сигнал на выходе регистра 8 результата станет равным :-(T)) При совпадении числа циклов, подсчитанное счетчиком 24 коэффициента сглаживания, с числом К, поступающи с регистра 21 коэффициента: сглаживания, со схемы 11 совпадения поступает сигнал, устанавливающий триггер 1 запуска в нулевое состояние и тем са мым прекращающий поступление импульсов с генератора 12 на счетный вход триггера 20 управления. Этим же сигналом производится перезапись информации из регистра 21 коэффициента сглаживания в буферный регистр 31 коэффициента сглаживания. При наличии сигнала 1ц, поступающего со II совпадения, с выхода регистра 8 результата считьшается значение механической скорости бурения V,- определяемое соотношением v(ir«., которое является оператором экспоненциального сглаживания при параметре сглаживания di--(i} и описывается в общем случае рекурентным соотношением , V ,--oLwi -%n-ct)v..,. Таким образом, измерение механической скорости бурения происходит в два этапа. На первом этапе определяется интервал времени измерения, кратный величине t-2, в течение которого в счетчик 6 импульсов прохбдки проходит заданное минимальное число импульсов. Это число определяется из допустимого интервала усреднения по проходке с учетом дальнейшей цифровой обработки сигнала. Этот интервал может соответствовать числу импульсов, когда появляется логическая единица в старшем разряде счетчика импульсов .проходки, т.е. 2где п - число разрядов счетчика 6 импульсов проходки. Однако в этом случае возможно переполнение счетчика 6 импульсов проходки. С целью уменьшения вероятности переполнения счетчика 6 импульсов проходки фиксировать интервал проходки следует не по одному старшему разряду, а по двум. В результате диапазон расширяется с А-2 - 1 до А 1, т.е. более чем в 1,5 раза. Если переполнение произойдет,то триггер 17 переполнения переключится в единичное состояние и дальше работа устройства происходит аналогично описанной. Соединение старшего разряда логарифмического счетчика 27 времени через схему ИЛИ 15 позволяет переклю 1 чить триггер 7 окончания измерения в нулевое состояние независимо от содержимого счетчика 6 импульсов проход ки. Интервал измерения при появлении единицы в старшем разряде логарифмического счетчика 27 времени соответствует контролю и измерению ми нимальной механической скорости 6ypef ния с згчетом всех предшествующих измерений. Это осуществляется путем i суммирования текущего мгновенного зна чения скорости и предшествзпощего сгла V. . Причем каждое слагаемое женного имеет свои весовые коэффициенты ot-и (1-2). Чем меньше d- или больше коэффициент сглаживания К-, тем большее влияние на результат оказывает предшествующее сглаженное значение, что эквивалентно большему числу усреднен ной или большему интервалу измерения Однако большое преимущество здесь в том, что результат измерения получается не через несколько точек отсчет или большой интервал времеши, а в каждой точке отсчета. Во время бурения возможно изменение буримости пород, а это приводит к изменению среднего значения механической скорости бурения. Для того, чтобы исключить запаздывание и связанное с ним появление ошибок в результате сглаживания, необходимо кор ректировать коэффициент сглаживания. Корректировка ПРОИЗВОДИТСЯ путем ана лиза сигналов Р и Р. которые посту пают соответствбншз с компаратора 29 и триггера 26 знака. Если знак разности между значением т и предшествующим значением механической скорос ти V- при каждом отсчете меняется, т т-т это говорит о стационарности процесс и коэффициент сглаживания принимает максимальное значение, который обеспечивает минимум дисперсии выходного сигнала. В противном случае коэффициент сглаживания должен быть минимальным, что позволяет уменьшить динамическую ошибку за счет устранения запаздывания, Учитьгеая случайный характер изменения мгновенного значени механической скорости бурения т и его среднего значения коэффициент сглаживания К берется как среднее значение между предшествующим коэффициентом сглаживания К- .-и значением минимального или максимального коэффициента сглаживания. Тем самым обес печивается минимум ошибки измерения за счет автоматического установления соответствующего соотношения между статической и динамической ошибками. Таким образом, введение новых элементов позволило создать устройство с более высокой частотой отсчетов и уменьшить погрешность измерения. В связи с тем, что механическая скорость бурения является важнейшим информативным параметром, требование к частоте отсчетов является основополагающим, особенно при оперативном . управлении процессом бурения, при распознавании предаварийных ситуаций.Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет увеличения рейсовой скорости бурения, а следовательно, стоимости метра проходки и предотвращения аварийных ситуаций, обусловленных точными замерами механической скорости. Формула изобретения Устройство для измерения механической скорости бурения, содержащее датчик проходки, соединенный через первую схему И со счетным входом счетчика импульсов проходки, второй вход первой схемы И подключен к выходу триггера окончания измерения и первому входу второй схемы И, регистр результата, задатчик времени, схему совпадения, четыре схемы И, генератор, о тличающе е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности точности измерения, оно дополнительно содержит блок масштабирования, три схема ИЛИ, триггер переполнения, формирователь импульсов, триггер запуска, триггер управления, регистр коэффициента сглаживания, буферный регистр результата, коммутатор, счетчик коэффициента сглаживания, элемент задержки, триггер знака, логарифмический счетчик времени, сумматор, компаратор, сумматор коэффициента сглаживания, буферный регистр коэффициента сглаживания, вторую схему совпадения, вспомогательный регистр, при этом выходы счетчика импульсов проходки подключены к информационным входам блока масштабирования, два старших разряда счетчика импульсов проходки подключены к первой схеме ИЛИ, а старший разряд счетчика импульсов проходки подключен к счетному входу триггера переполнения, выход которого соединен с третьим входом перпой схемт, HJTO. причем выход первой схемы ИЛИ соединен с первым входом третьей схемы И, а выход последней соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля триггера окончания измерения, а выход триггера окончания измерения соединен через формирователь импульсов с входами установки единицы триггеро запуска и управления, с входами записи регистра коэффициента, сглаживания и буферным регистром результата, с управляющим входом коммутатора с входом установки нуля счетчика коэффициента сглаживания, с входом эле мента задержки, выход которого соеди нен с входом установки единицы триггера окончания измерения, с входом записи информации триггера знака, с входами установки нуля триггера пере полнения, счетчика импульсов проходки, логарифмического счетчика времени, выход старшего разряда которого соединен со вторым входом второй схе мы ШШ, а оставшиеся выходы соединены через третью схему ИЖ со вторым входом третьей схемы И, выходы логар мического счетчика времени соединены с управляющим входом блока масштабирования, выход которого соединен с первым входом коммутатора и первым входом компаратора, при этом выход последнего соединен с информационным входом триггера знака, информационный вход и выход которого соединены с входами первой схемы совпадения, выход которой соединен с входами первого слагаемого сумматора коэффициента сглаживания за исключением младшего разряда, который соединен с источником логической единицы, а вход второго слагаемого соединен с выходом буферного регистра коэффициента сглаживания, информационный вход которого соединен с выходом регистра коэффициента сглаживания, причем п - вход регистра коэффициента сглаживания со единен с (n+l)-выходом cy fмaтopa коэффициента сглаживания, а выход регистра коэффициента сглаживания соединен с nepBtM входом второй схемы совпадения, выход которой соединен с входом записи буферного регистра коэффициента сглаживания и с входом установки нуля триггера запуска, выход которого соединен с первьм входом четвертой И, выход которой соединен со счетным входом триггера управления, импульсный прямой выход которого соединен с входом записи вспомогательного регистра, при этом выход вспомогательного регистра соединен с входом первого слагаемого сумматора, {п+|)-выходы которого соединены с п-входами регистра результата, а выход последнего соединен со вторым входом коммутатора, со вторыми входом компаратора и с информационным входом буферного регистра результата, выход которого соединен с входом второго слагаемого сумматора, а выход коммутатора соединен с информационным входом вспомогательного регистра, вход записи регистра результата соединен с импульсным инверсным выходом триггера управления и со счетным входом счетчика коэффициента сглаживания, выход которого соединен со вторым входом Второй схемы совпадения, причем гене-; ратор опорной частоты соединен со в.торым входом четвертой схемы И и через задатчик времени соединен со вторым входом второй схемы И, выход которой соединен со счетным входом логарифмического счетчика времени. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 471422, кл. Е 21 В 44/00, 1973. 2.Автоматизация технологических процессов. Труды ВНИИЮШЕФТЕГАЗ. Вьт. 111. М., Недра, 1971. 3.Авторское свидетельство .СССР № 471423, кл. Е 21 В 44/00, 1973 (прототип).